Real-Time Valrisicobeoordeling met behulp van functionele Reach-Test
Abstract
vallen komen vaak voor en zijn gevaarlijk voor overlevenden van een beroerte in alle herstelstadia. De wijdverbreide noodzaak om valrisico ‘ s in realtime voor personen na een beroerte te beoordelen, heeft geleid tot nieuwe verzoeken om een betrouwbare, goedkope, kwantificeerbare en klinische maatregel/tool op afstand. Om aan deze eisen te voldoen, onderzoeken we de Functional Reach Test (FRT) voor real-time valrisicobeoordeling en implementeren we de FRT-functie in mStroke, een real-time en automatisch mobiel gezondheidssysteem voor naslagherstel en revalidatie. mStroke is ontworpen, ontwikkeld en geleverd als een applicatie (App) die draait op een hardwareplatform dat bestaat uit een iPad en een of twee draadloze lichaamsbewegingssensoren op basis van verschillende mobiele gezondheidsfuncties. De FRT-functie in mStroke wordt uitgebreid getest op gezonde menselijke proefpersonen om het concept en de haalbaarheid ervan te controleren. Voorlopige prestaties zullen worden gepresenteerd om de verdere exploratie van de FRT-functie in mStroke te rechtvaardigen door middel van klinische proeven op individuen na een beroerte, die de alomtegenwoordige exploitatie in de nabije toekomst kan leiden.
1. Inleiding
vallen komen vaak voor bij overlevenden van een beroerte in alle herstelstadia . In de gemeenschap wonende individuen met chronische beroerte hebben de hoogste valincidentie bij . Bijgevolg is de kans op heupfracturen vier keer groter bij overlevenden na een beroerte dan bij de Algemene oudere populatie . Vallen leiden ook tot progressieve activiteiten-en participatiebeperkingen, verhoogde afhankelijkheid, verhoogde angst voor vallen en depressie . Bovendien, vallen leiden tot beduidend meer spanning voor de verzorgers van poststroke individuen .Valpreventiestrategieën zijn het meest effectief als de persoon in gevaar kan worden beoordeeld / geïdentificeerd voordat er letsel optreedt . Er zijn verscheidene klinische hulpmiddelen die functionele parameters met standing balance nauwkeurig beoordelen en valrisico in individuen na slag voorspellen. Relevante klinische tools zijn onder meer Berg Balance Scale (BBS), time-Up en Go (TUG) test, geautomatiseerde dynamische Posturografie (CDP) en force plates, en de FRT . De BBS past een ordinale ratingschaal toe op 14 functionele bewegingen . De sleepboot is een functionele looptest die de voltooiingstijd van de taak meet . De CDP-en force-platen meten het centrum van de druk van een individu (COP) en COP correleert met een slechte balans en een verhoogd valrisico . Voor de eerder vermelde klinische hulpmiddelen kan toediening van artsen en/of dure of immobiele apparatuur nodig zijn. Daarom zijn ze geschikt voor klinisch gebruik, maar kunnen ze niet in de lengterichting mensen in de gemeenschap controleren zonder de aanwezigheid van een arts en/of dure apparatuur.
de toepassing van accelerometer en gyroscoop is onderzocht om de standbalans kwantitatief te beoordelen . Deze studies tonen het nut aan van bewegingssensoren bij het meten van de functionele balans. Beide studies richten zich echter op het verbeteren van de meetgevoeligheid van de arts in plaats van het produceren van een remote meetsysteem voor mobiele gezondheid. Methoden in deze studies kunnen niet thuis worden toegepast zonder de aanwezigheid van een arts, als gevolg van de complexiteit van de test (4-stap en 6-stap, respectievelijk) en de vereiste (bijvoorbeeld de ogen van de gebruiker te sluiten).
In dit artikel onderzoeken we draagbare technologieën (d.w.z. real-time bewegingsdetectie) om valrisico ‘ s te beoordelen met behulp van de FRT. De FRT is een snelle single-task dynamische test gedefinieerd als de maximale afstand die men kan bereiken voorbij armlengte, met behoud van een vaste basis van steun in de staande positie . Belangrijk, het heeft een gewijzigde versie voor zitbalans, dat wil zeggen, de gewijzigde FRT, waarvan we verwachten dat het nuttig zal blijken voor de ontwikkeling van de zittende meting . De FRT werd ontwikkeld door Duncan et al. in 1990 als een ratio meetschaal voor het bepalen van anterieure grenzen van staande balans in de oudere bevolking . Sinds de oprichting is deze maatregel bewezen als een geldige en betrouwbare test voor het identificeren van tekorten in balans voor beroerte overlevenden en een krachtige voorspeller van valrisico in vergelijking met andere meer tijdrovende klinische functionele maatregelen . In het bijzonder schat de FRT in hoe ver de gebruiker vooruit kan reiken zonder stappen te ondernemen . De normen voor reach-afstand voor mannen en vrouwen van verschillende leeftijden zijn samengevat in Tabel 1 . Op basis van de reach-Afstand in de FRT kan een persoon met een hoog valrisico (d.w.z. een positieve test) worden geïdentificeerd: i)een negatieve test wordt overwogen voor een voorwaartse reikwijdte van meer dan 25,40 cm.- een bereik van minder dan 15,24 cm blijkt in verband te worden gebracht met een viermaal groter risico op vallen gedurende de volgende zes maanden.(iii) een reach binnen 15.24–25.40 cm blijkt in verband te worden gebracht met een twee keer groter risico op vallen gedurende de volgende 6 maanden.
|
|||||||||||||||||||||
de real-time FRT is een van de functies in onze voorgestelde mStroke, een real-time en automatisch mobiel Gezondheidssysteem, dat ook de motorische controle kan evalueren en de loopsnelheid van patiënten na een beroerte kan inschatten. Hier richten we ons op de FRT-functie in mStroke en richten we ons op drie complementaire problemen: (I) het ontwerpen van signaalverwerkingsalgoritmen die nauwkeurig en getrouw de bereikafstand in FRT kunnen inschatten, (ii) het implementeren van een interactieve gebruiksvriendelijke App die draait op ons hardwareplatform, en (iii) het evalueren van de bruikbaarheid en betrouwbaarheid van de FRT-functie in mStroke op gezonde volwassen proefpersonen.
zodra de FRT-functie in mStroke zijn bruikbaarheid en betrouwbaarheid in een gezonde volwassen populatie aantoont, zullen verdere ontwikkeling en evaluatie worden uitgevoerd in poststroke individuen. Ons uiteindelijke doel is dat personen na een beroerte gemakkelijk een realtime valrisicobeoordeling kunnen uitvoeren door gebruik te maken van deze FRT-functie in de kliniek (bijv. elke acute zorg/postacute zorg/revalidatiefaciliteit) en thuis, op elk gewenst moment, zonder hulp van zorgprofessionals. Met andere woorden, de FRT kan worden overgeschakeld van de bekwame klinische toediening naar de onafhankelijke patiënt management. mStroke, met inbegrip van de FRT-functie, kan doordringende, kwantificeerbare, en voortdurende monitoring van het gedrag van patiënten en recoveries bevorderen, die efficiënt en op lange termijn stroke management kan ondersteunen ver buiten het huidige acute kliniek-gebaseerde systeem.
2. Materialen en methoden
2.1. Hardware en de gebruiksvriendelijkheid
energie en latentie zijn twee belangrijke beperkingen voor elk draadloos of mobiel gezondheidsapparaat. We kozen NODE, weergegeven in Figuur 1, als de draadloze lichaamssensor voor mStroke . Dit draagbare apparaat met laag vermogen en lage latentie is een nieuw modulair sensorplatform dat het Bluetooth Low Energy (BLE) – protocol gebruikt om te communiceren met een basisstation (bijvoorbeeld smartphone, iPad of computer). Meerdere knooppunten kunnen verbinding maken met een enkel basisstation. De basismodule van knooppunt is de MPU-9150, een 9-assig MotionTracking-apparaat vervaardigd door InvenSense, dat in wezen een Inertial Motion Unit (IMU) is die versnellingsmeter, gyroscoop en magnetometer bevat . De versnellingsmeter kan worden geprogrammeerd om het volledige schaalbereik van g, g, G of g te hebben en zijn gevoeligheid is LSB/g . De MPU-9150 is ontworpen voor de low-power, low-cost en high-performance eisen van consumentenelektronica, waaronder draagbare sensoren . NODE kan bewegingsgegevens naar een iPad verzenden met maximaal 120 monsters per seconde met een bereik van maximaal 50 m. NODE is een cilinder met een diameter van 25,4 mm en een lengte van 83,8 mm en kan aan kleding worden geknipt. Elk uiteinde van de knoop kan een extra verwisselbare sensoreenheid accepteren. Deze sensorunits kunnen verschillende functies vervullen, zoals temperatuur, vochtgehalte, oximeter of ultrasone monitoring/meting. Voor de doeleinden van dit artikel gebruiken we de NODE alleen met een IMU.
In de afgelopen jaren heeft het idee van het gebruik van sensoren (bijvoorbeeld accelerometer, gyroscoop, magnetometer en elektromyografie) om menselijke bewegingsgegevens te verkrijgen voor revalidatiestudies en-praktijken veel aandacht gekregen . Versnellingsmeters meten de versnellingsvector; gyroscopen zorgen voor hoekrotatiesnelheid; en magnetometers meten de sterkte en, in sommige gevallen, de richting van magnetische velden. Een 9-assige sensor fusie van deze drie sensoren maakt mStroke om de inherente gebreken gevonden in elke individuele bewegingssensor te overwinnen.
om de FRT-functie uit te voeren, wordt één knoop gedragen via borstgordel, zoals weergegeven in Figuur 2. Het aantrekken en uittrekken van het harnas werden getest door fysiotherapie studenten via Bekwame emulatie. De resultaten wijzen op de vertaling van een dergelijk harnassysteem naar gebruik door de patiënt. Bovendien, als NODE niet correct wordt gedragen (bijv., Knooppunt gedraaid of ondersteboven gedraaid), de App stuurt een waarschuwing.
2.2. Software en gebruiksvriendelijkheid
wat de functionaliteit van de software betreft, omvat de FRT-functie in mStroke valrisicobeoordeling en foutdetectie. Fouten omvatten defecte staande houding en vallen. Aan het begin van de FRT vraagt de App de gebruiker om een comfortabele, rechtopstaande houding aan te nemen. De App waarschuwt de gebruiker als de BORSTKNOOP een onjuiste lichaamshouding detecteert. Om rekening te houden met personen na een beroerte die mogelijk een verminderde staande houding hebben, is de flexie van de romp tot 30° aanvaardbaar . De App instrueert vervolgens de gebruiker om de schouder van de dominante bovenste extremiteit (dat wil zeggen, de minder aangetaste bovenste extremiteit bij overlevenden na een beroerte) te buigen tot ongeveer 90°. Wanneer de arm goed is gepositioneerd, reikt de gebruiker zo ver mogelijk naar voren zonder een stap te zetten. Tot slot wordt de FRT-afstand geschat op basis van ons voorgestelde algoritme.
de FRT-functie in mStroke wordt voor elke individuele gebruiker gepersonaliseerd door de romplengte, schouderbreedte en dijlengte van de gebruiker in de App in te voeren voordat de FRT wordt gestart. Nadat het algoritme de FRT-afstand schat, wordt het resultaat in real time aan de gebruiker aangekondigd op basis van gevestigde FRT-normen (Tabel 1). Om de veiligheid te garanderen, is mStroke uitgerust met een valdetectiealgoritme en kan het worden geprogrammeerd om automatische medische noodmeldingen te verstrekken in geval van een val. Hiervoor hebben we het door Li et al voorgestelde 3-staps valdetectiealgoritme geïmplementeerd. .
2.3. De FRT-Afstandschatting
2.3.1. Angle Estimation
er zijn accelerometer, gyroscoop en magnetometer in het knooppunt IMU. We gebruiken quaternion berekend op basis van metingen van deze drie sensoren voor nauwkeurige hoek schatting. Een quaternion is een vierdimensionaal complex getal dat kan worden gebruikt om de oriëntatie van een stijf lichaam in een driedimensionale ruimte weer te geven . In quaternion representatie, beschrijft de oriëntatie van frame relatief aan frame . Elke oriëntatie van het frame ten opzichte van het frame kan worden bereikt door een rotatie van de hoek rond de as gedefinieerd in het frame . Het quaternion dat deze oriëntatie beschrijft wordt als volgt gedefinieerd: waar,, en definieert de componenten van de eenheidsvector in -, -, en-assen van frame, respectievelijk .
neem aan dat het referentiequaternion is ; het huidige quaternion is ; en de oriëntatie tussen en is . Dan is de relatie tussen,, en kan worden weergegeven als volgt: waar geeft het quaternion product dat kan worden bepaald met behulp van de Hamilton regel :
het quaternion-conjugaat, aangeduid door, kan worden gebruikt om de relatieve frames te verwisselen die worden beschreven door een oriëntatie :
op basis van (2) en (4) kunnen we gemakkelijk het volgende krijgen:
een driedimensionale vector kan worden geroteerd door een quaternion . Als en zijn dezelfde vector beschreven in frame en frame, respectievelijk, dan krijgen we het volgende:waar en bevatten als het eerste element om ze vierdimensionale vectoren te maken .
hoek die overeenkomt met een dergelijke rotatie kan worden verkregen uit de hoek van twee vectoren, dat wil zeggen, en , waar en hebben dezelfde wiskundige uitdrukkingen maar vertegenwoordigen verschillende vectoren:
echter, berekend op basis van (6) en (7) heeft twee problemen voor onze praktische implementatie. Het ene probleem is dat het altijd positief is en het andere probleem is dat het in elke draairichting kan zijn. We zullen deze twee problemen uitleggen aan de hand van illustratieve voorbeelden in Figuur 3. De figuren 3 (A) en 3 (b) vertegenwoordigen respectievelijk voor-en achterrotatie van frame naar frame langs de as. Figuur 3 (c) geeft een rotatie langs de as weer. Stel dat de absolute waarden van hoeken voor alle rotaties zijn . Gebaseerd op (6), komt overeen met en correspondeert met . Bovendien, als (7) wordt toegepast, krijgen we het volgende:waar en geven de rotaties weergegeven in Figuur 3(A) en 3(b), respectievelijk. We kunnen dus geen onderscheid maken tussen voorwaartse en achterwaartse rotatie van en . Rekening houdend met Figuur 3(c), als we alleen geïnteresseerd zijn in een rotatie in het framevlak , moeten we 0° krijgen voor de hoek van een dergelijke rotatie. Echter, we krijgen nog steeds in plaats van 0° met behulp van (6) en (7).
(a) een Voorwaartse rotatie langs -as, geprojecteerd in het vliegtuig
(b) Achterwaartse rotatie langs -as, geprojecteerd in het vliegtuig
(c) Rotatie langs -as
(a) een Voorwaartse rotatie langs -as, geprojecteerd in het vliegtuig
(b) achterwaartse rotatie langs de as, geprojecteerd in het vlak
(c) rotatie langs de as
om deze twee problemen aan te pakken, stellen wij de volgende oplossing voor, die naar verwachting zal worden verkregen. Naast (6) passen we de tweede vectorrotatie als volgt toe:aannemen en corresponderen met respectievelijk in frame en frame. Dan vinden we de hoek tussen en door iets bij te werken (7) als volgt:Op deze manier,
samengevat, kan de voorgestelde oplossing de bovengenoemde in Figuur 3 geïllustreerde problemen aanpakken: i) in Figuur 3(A) voor voorwaartse rotatie, en .ii) in Figuur 3(b) voor achterwaartse rotatie, en .(iii) in Figuur 3(c) voor rotatie langs-as, en , wat betekent dat de hoek van een dergelijke rotatie geprojecteerd in het vlak van frame zal zijn 0∘.
2.3.2. Functioneel bereik door Trunk flexie
op basis van de klinische observatie wordt het bereik in de FRT voornamelijk uitgevoerd door trunk flexie. Als we de buighoek van de romp kunnen schatten op basis van het voorgestelde algoritme dat in Paragraaf 2.3.1 wordt gepresenteerd, kunnen we de overeenkomstige reach-afstand volgens trigonometrische functie als volgt berekenen:waar staat voor romplengte die handmatig wordt gemeten en staat voor buighoek van de romp die automatisch wordt geschat door mStroke. De IMU in de borstknoop biedt de nodige quaternion informatie om de buighoek van de romp te schatten.
2.3.3. Het Effect van Torso Twist
houdt alleen rekening met het functionele bereik als gevolg van de flexie van de romp. Het menselijk lichaam is echter niet strikt een stijf lichaam. Wanneer de FRT wordt uitgevoerd, is er een onvermijdelijke torso twist. De torso twist draagt ook bij aan het functionele bereik. Met de 3-assige IMU in de borstknoop, kunnen we de torso draaihoek gelijktijdig schatten met de buighoek van de romp. Dus, kan worden bijgewerkt als: waar geeft schouderbreedte handmatig gemeten en geeft torso draaihoek automatisch geschat door mStroke.
2.3.4. Effect van Dijbewegingen
wanneer een individu de FRT uitvoert, blijft het onderlichaam niet loodrecht op de grond staan. Het onderlichaam kan soms achteruit bewegen om het massacentrum van de persoon binnen zijn/haar steunbasis te houden. Elke afwijking van het onderste lichaam ten opzichte van de oorspronkelijke verticale positie kan van invloed zijn op het FRT-resultaat. Daarom moeten we een dergelijk effect expliciet overwegen. Het is onmogelijk voor de IMU in de BORSTKNOOP om de beweging van het onderlichaam in de FRT vast te leggen. Zo gebruiken we een tweede knooppunt op de dij om de bewegingshoek van de dij te schatten. Op basis van deze hoek kunnen we de beweging van het onderlichaam kwantificeren die bijdraagt aan het functionele bereik zoals waar de dij-lengte handmatig wordt gemeten en de dij-bewegingshoek automatisch wordt geschat door mStroke. Uiteindelijk stellen we de derde reach-afstandsmaat als volgt voor:
3. Resultaten en discussie
3.1. De FRT Betrouwbaarheidsmethode
de FRT betrouwbaarheidsstudie werd uitgevoerd bij gezonde volwassen proefpersonen in een onderzoeksomgeving met de juiste IRB-goedkeuring. Proefpersonen hebben voorafgaand aan de deelname geïnformeerde toestemming gegeven. Leeftijd en geslacht werden geregistreerd als onderwerp Demografie. Door een voorbeeld van gemak, gezonde studenten, de meeste van onze proefpersonen hebben een normale body mass index. Eventuele uitschieters zouden worden beschouwd als overgewicht, niet obesitas.
voor elke proefpersoon werden romplengte, schouderbreedte en dijlengte handmatig gemeten en in het App ingevoerd voordat de FRT werd gestart. Op de schouderhoogte van elk onderwerp werd een meetlint aan de muur bevestigd.
bij clinician cueing werd de proefpersoon naast het aan de wand gemonteerde meetlint geplaatst, zodat zijn/haar bereik de lengte van het meetlint niet zou overschrijden. De proefpersoon werd vervolgens geïnstrueerd om zijn/haar bovenste extremiteit tot 90°te verhogen. De uitgangspositie werd beoordeeld door de arts bij de derde vingerkoot van de patiënt. Vervolgens werd het onderwerp gevraagd om zo ver mogelijk naar voren te komen, zonder een stap te zetten. Op het hoogtepunt van het bereik van het onderwerp, markeerde de clinicus het einde van het bereik. De absolute afstand tussen deze twee gemarkeerde posities op het meetlint werd gebruikt als vergelijkingsbenchmark voor de geschatte reach-afstand van de mStroke. We hebben de FRT-functie in mStroke op twee groepen proefpersonen getest om de prestaties ervan te controleren. Elke proefpersoon voerde de FRT vijf keer uit.
3.2. De FRT-prestatie
groep 1 omvat 17 gezonde volwassen proefpersonen. Tabel 2 geeft de demografische gegevens van groep 1 weer. In Groep 1 wordt één knoop (geplaatst op de borst) gebruikt om de flexie van de romp en de verdraaiingshoeken van de romp te schatten, zoals weergegeven in Figuur 4. Het histogram van de verdraaiingshoeken van de romp is weergegeven in Figuur 5. Uit Figuur 5 kan gemakkelijk worden opgemerkt dat de meeste draaihoeken van de romp niet gelijk zijn aan , wat een niet-triviaal effect zal hebben op het functionele reach-resultaat. De prestaties van de reach distance estimation in termen van gemiddelde Absolute fout (MAE) en correlatiecoëfficiënt worden gegeven in Tabel 3 waar de reach distance handmatig gemeten door een arts aangeeft en dient als prestatiebenchmark voor de FRT-functie in mStroke. en worden beschreven in punt 12 van punt 2.3.2, respectievelijk punt 13 van punt 2.3.3. Met inachtneming van MAE, overtreft door . Bland Altman plots tussen en evenals tussen en zijn weergegeven in de figuren 6 en 7, respectievelijk. Gemiddelde van de verschillen geeft de bias/discrepantie tussen de meting en de benchmark. +1,96 standaarddeviatie (SD)van verschillen en -1,96 SD van verschillen geven het bereik van 95 grenzen van overeenstemming. De meeste verschillen vallen binnen een dergelijk bereik.
|
||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||
(a) begin FRT
(b) uitvoeren FRT
(a) Start FRT
(b) uitvoeren FRT
groep 2 omvat 23 gezonde volwassen proefpersonen met demografische gegevens weergegeven in Tabel 4. In tegenstelling tot groep 1 worden in groep 2 twee knooppunten gebruikt om de flexie van de romp, de torso en de bewegingshoeken van de dij te schatten (zie Figuur 8). De histogrammen van de verdraaiing van de romp en de bewegingshoeken van de dij zijn weergegeven in respectievelijk de figuren 9 en 10. Beide cijfers tonen duidelijk aan dat niet-nulhoeken voor torso-draai en dij-beweging de tests domineren. De overeenkomstige prestaties zijn weergegeven in Tabel 5. wordt beschreven in punt 14 van punt 2.3.4. Met overweging van MAE, overtreft door en verbetert verder de prestaties door .
|
||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||
(A) begin FRT
(b) uitvoeren FRT
(a) Start FRT
(b) uitvoeren FRT
hoewel de experimentele resultaten veelbelovend zijn, is er nog ruimte voor prestatieverbetering. Onze studies suggereren duidelijk dat meer bewegingssensoren (bijvoorbeeld sensor op de schouder of arm) moeten worden overwogen om de prestaties van de FRT-functie in mStroke verder te verbeteren door meer gedetailleerde lichaamsbewegingen in de FRT-oefening vast te leggen.
4. Conclusies
we hebben een mobiel gezondheidssysteem (d.w.z. mStroke) ontworpen en ontwikkeld dat het FRT, een nauwkeurig klinisch instrument met één taak, kan uitvoeren voor realtime valrisicobeoordeling. Er zijn drie verschillende reach-afstandsmaten (d.w.z., , , en ) gegeven. De betrouwbaarheid van de FRT-functie van mStroke is getest op twee groepen gezonde volwassen proefpersonen. De experimentele resultaten bevestigen het concept en de haalbaarheid ervan. Een klinische proef op individuen na beroerte is de volgende stap voor de verdere ontwikkeling van de FRT-functie in mStroke.
openbaarmaking
de inhoud valt uitsluitend onder de verantwoordelijkheid van de auteurs en geeft niet noodzakelijk de officiële standpunten van de nationale gezondheidsinstellingen weer.
concurrerende belangen
de auteurs verklaren dat er geen concurrerende belangen zijn met betrekking tot de publicatie van dit artikel.
Dankbetuigingen
het in dit artikel gerapporteerde onderzoek werd ondersteund door het National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering van de National Institutes of Health onder prijs nr. R15EB015700. Dit werk werd ook gedeeltelijk gefinancierd door de Tennessee Higher Education Commission.